1、2019/3/9,尹显胜-93928,以太网技术基础,Page 2,参考资料,网络技术专题 数据网络基本原理专题 SDH原理与ATM和 IP技术专题,Page 3,课程目标,学习完此课程，您应能： 了解以太网物理层的工作过程 掌握以太网端口自协商的原理 掌握MAC地址概念和以太网帧数据收发过程 掌握以太网VLAN基本概念 掌握802.1Q帧格式和各个字段的含义 了解二层组播协议和生成树协议的工作过程,Page 4,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机 第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Pag
2、e 5,内容介绍,以太网概述 1.1 以太网的起源和设计目标 1.2 以太网的几种类型及应用领域,Page 6,起源和设计目标,起源起源于Xerox公司的一个实验网，该网络运行的经验是Xerox、DEC、Intel 1980年提出的以太网建议的基础。 目标简明和成本低 寻址灵活：应该有一种机制来确定网络中的一台计算机、全部计算机或一组计算机MAC地址。 公平高速：各个终端应该公平的享有带宽CSMA/CD，高速数据链路层无连接，尽力传送-“besteffort” 稳定和低延迟,Page 7,内容介绍,以太网概述 1.1 以太网的起源和设计目标 1.2 以太网的几种类型及应用领域,Page 8,以
3、太网分类,以太网按照传输速度可分成如下几类： 标准以太网（10Mbps） 快速以太网（100Mbps） 千兆以太网（1000Mbps） 万兆以太网（10000Mbps）目前，千兆以太网已经应用非常普遍，万兆以太网是我们下一个的发展方向。,Page 9,以太网的几种类型,标准以太网（10Mbit/s）的网络定位：,Page 10,以太网的几种类型,快速以太网（100Mbit/s）的网络定位：,模型分类,网络定位,接入层,汇聚层,为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入,核心层,提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层 的连接，提供高速服务器的连接,提供交换设备间的连接,Page
4、11,快速以太网传输距离,技术标准,线缆类型,100BaseTX,100BaseT4,EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对,100BaseFX,EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对,多模光纤（MMF）线缆,传输距离,100m,100m,550m-2km,2km-15km,单模光纤（SMF）线缆,Page 12,以太网的几种类型,千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位：,模型分类,网络定位,接入层,汇聚层,一般不使用,核心层,提供接入层和汇聚层设备间的高速连接,提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心 设备间的高速互联,Page 13,千兆以太网传输距离,技术标准,
5、线缆类型,1000BaseT,1000BaseCX,铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对,1000BaseSX,铜质屏蔽双绞线,多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光,传输距离,100m,25m,550m/275m,2km-15km,单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光,1000BaseLX,Page 14,以太网主要应用领域,以太网主要应用领域： 高速网络设备之间互连 城域网中用户接入的手段,Page 15,本节我们主要学习了： 以太网的几种分类方式,小结,Page 16,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层
6、第4章 以太网交换机 第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Page 17,以太网物理层标准,10BASE2 10BASE5 10BASE-T 100BASE-TX 100BASE-FX 100BASE-T4 100BASE-T2,Page 18,半双工,任一时刻只能接收或发送采用CSMA/CD访问机制物理上有距离限制,Page 19,共享介质的灵魂CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）原理： 1、终端设备不停的检测共享线路的状态，只有在空闲的时候才发送数据，如果线路不空闲则一直等待。 2、发送过程中，若其他设备也同时发送数据，则其发送 的数
7、据必然产生碰撞，导致线路上的信号不稳定，终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据，然后再发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送。 缺点：带宽窄，冲突检测机制，传输时间必须大于延迟时间导致物理长度 限制51.2us的冲突检测窗口，1位在2500m，加上四个中继器的往返时间。 帧长最小字 节数64，刚好512位。,CSMA/CD,Page 20,最小帧长与最大传输距离,最大传输距离：通常由线路质量、信号衰减程度等因素决定。 最小帧长（64字节）：由最大传输距离和冲突检测机制共同决定。 规定最小帧长是为了避免这种情况发生：某站点已经将一个数据包的最后一个BIT发送完毕，但这个
8、报文的第一个BIT还没有传送到距离很远的一个站点。而站点认为线路空闲而发送数据，导致冲突。,以太网通信的原则：同一时刻只能有一台主机在发送，但可以有多台主机同时接收广播；如果一个以太网报文被完全发送出去则在链路上肯定不会发生冲突，即理论上不再需要发送第二次。,Page 21,全双工物理层,同一时刻可以发送和接收，不用预先判断链路的忙闲状态 最大吞吐量达到双倍速率 从根本上消除了半双工的物理距离限制,Page 22,双工方式,运行速率,全双工半双工,10M100M1000M10G,常见的8种组合,自动协商,Page 23,使用1ms的脉冲来携带自动协商信息。,16ms,每个大脉冲插入16小脉冲,
9、自动协商实现基础,Page 24,自协商基本页信息,0,0,0,0,1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,Message Type Ethernet=00001,Reserved,10BASE-T半双工,10BASE-T全双工,100BASE-TX半双工,100BASE-TX全双工,100BASE-T4,流控支持,远程故障指示,确认,下一页指示,Page 25,自协商信号,整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成,约2ms,约100ns,约62.5s,时 钟,数 据 位 0,时 钟,数 据 位 1,数 据 位 14,时 钟,数 据 位 15,时 钟,
10、Page 26,系统加电的时候（建立链路连接时候），首先检测自动协商标志，如果允许，则从配置寄存器读出支持模式标志，编码后通过空闲脉冲发送出去。发送出去的编码格式称为基页。如果接收到对方的基页，则跟自 己发送的基页比较，找出支持能 力的交集，选取最优组合运行。,双工模式,运行速率,流量控制,.,101001010111000101001101010101.,编码支持能力,Page 27,自协商优先级,优先级顺序,工作方式,A,B,C,D,E,100BASE-TX,100BASE-TX全双工,100BASE-T4,10BASE-T全双工,10BASE-T,Page 28,运行速率,双工模式,10
11、0M10M,全双工半双工,运行速率,双工模式,100M10M,全双工半双工,100M，全双工,协商原则,Page 29,与没有自协商机制的设备连接,不使用自协商机制会出现以下情况：无法实现端口的自动双速配置功能（如10Mbit/s和100Mbit/s） 无法确定双工工作模式 无法确定是否需要流量控制功能,如果对接时一端采用自协商，另一端采用固定模式会出现什么现象？,Page 30,光纤上的自协商,对光纤以太网而言，得出的结论是： 链路两端的工作模式必须使用手工配置（速度、双工模式、流控等），如果光纤两端的配置不同，是不能正确通信的。 千兆以太网的自协商机制已经实现。,Page 31,集线器HU
12、BI类,只能单一种类型的物理接口 内部共享高速总线，使用CSMA/CD方式工作。,Page 32,可以提供多种类型的物理接口内部共享高速总线，使用CSMA/CD方式工作。,集线器II类,Page 33,问题一：图中各PC机安装了10/100M自适应网卡，交换机支持10/100M自动协商，HUB为10M ，请问：PCA和交换机之间工作在什么方式？PCB和HUB之间工作在什么方式？HUB和交换机之间工作在什么方式？,总结与思考,PC-C,PC-B,HUB,LAN Switch,PC-A,Page 34,总结与思考,10Mb/s半双工,10Mb/s全双工,10Mb/s自协商,100Mb/s自协商,1
13、00Mb/s全双工,端口1自动协商,端口2自动协商,端口3自动协商,端口4自动协商,端口5自动协商,问题二：以上各个交换机端口工作在什么方式？,Page 35,本节我们主要学习了： 以太网物理层的自协商机制 物理层的一些设备类型,小结,Page 36,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机 第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Page 37,内容介绍,数据链路层 数据链路层结构 MAC子层 LLC子层,Page 38,网络层,数据链路层,物理层,LLC子层,MAC子层,数据链路层位置和结构,Pa
14、ge 39,针对不同的物理介质提供不同的MAC层面来访问。针对不同的双工模式，Ethernet划分为半双工MAC和全双工MAC。MAC层的主要功能是组帧、寻址、控制和维护各种MAC协议、定义各种媒体访问规则等。,MAC子层位置与功能,Page 40,半双工MAC跟物理层之间至少有六种信号： 接收数据线 发送数据线 接收数据指示 发送数据指示 载波侦听 冲突发生,HalfDuplexMAC,Physical_Layer,数据线,指示信号,冲突和检测信号,半双工MAC（CSMA/CD）,Page 41,全双工MAC跟物理层之间至少有四种信号： 接收数据线 发送数据线 接收数据指示 发送数据指示,H
15、alfDuplexMAC,Physical_Layer,数据线,指示信号,全双工MAC,Page 42,MAC地址,MAC地址用来标识网络上的唯一的一个站点；它是一个48比特的数字，但通常被表示为12位的点分十六进制数。 MAC地址举例：00.e0.fc.39.80.34物理MAC地址：全球唯一，由IEEE对这些地址进行管理和分配。每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。其中前24位二进制代表该供应商代码。剩下的24位由供应商自己分配。 例如某设备的MAC的前24位就是00.e0.fc 广播MAC地址：如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。 组播MAC地址：如果最高字节的第8位是1
16、，则表示该地址是组播地址。,Page 43,几种主要的以太网帧结构,Page 44,以太网帧结构,关于Length/Type，对于Ethernet_II，它的值通常为0x0800（表示后面数据为IP）。目前我们大部分计算机网卡只支持这种帧结构。,Page 45,Ethernet_II帧结构,PRE: 先导字节, 7个10101010 SFD: 帧开始标志, 10101011,Page 46,Ethernet_II帧结构,Page 47,LLC子层,MAC子层,DSAP,SSAP,Control,8bit,8bit,8/16bit,DMAC,SMAC,Length,LLC,DATA/FCS,IE
17、EE802.3帧结构,LLC子层帧结构和服务,Page 48,LLC层维护一张以DSAP为索引的函数 列表，每接收到一个数据包，以DSAP 为索引调用相应的函数，该函数把数 据包挂到相应接收队列。,.,函数列表,OnReceivedData_IP(Length,PDU) OnReceivedData_IPX(Length,PDU) OnReceivedData_NetBEUI(Length,PDU) OnReceivedData_05(Length,PDU) OnReceivedData_06(Length,PDU).,126,SSAP,Control,LLC子层数据的上层分发,Page 49
18、,1、MAC地址是一个（ ）比特的数字？ 2、广播MAC地址是（ ）？ 3、组播MAC地址为（ ），这是一个（ ）逻辑or物理的MAC地址？ 4、00-10-a4-ab-21-ca是（ ）类型的MAC地址？ 10-80-00-3d-44-3a是（ ）类型的MAC地址？,问题,Page 50,本节重点：对MAC子层的理解 MAC子层的工作过程 三种类型的MAC地址 MAC数据帧结构及收发过程,小结,Page 51,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机 第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Page
19、 52,内容介绍,以太网交换机 以太网交换机结构 以太网交换机工作过程 以太网交换机的交换方式,Page 53,.,RX TX,RX TX,接 收 缓 冲 区,发 送 缓 冲 区,高速背板总线,物理接口,交换机工作过程：1. 接收数据并缓冲； 2. 缓冲发送的数据； 3. 利用总线完成接口交换。注意： 1.发送缓冲区要比接收缓冲区大。 2.端口之间的数据帧转发依靠MAC转发表来实现。,以太网交换机基础结构,Page 54,以太网交换机硬件结构,L2的转发完全由硬件通过ASIC实现，以低廉的价格 实现了线速的转发 还有强大的背板总线做支撑。,Page 55,交换机维持一个CAM表，这个表决定交换
20、机的转发过程。 每接收到一个MAC帧，则剥取源MAC建立CAM项，然后向所有端口转发该帧。,MAC,出口集合,1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ADCB.0003.,port1 port2 port3.,以太网交换机工作过程,基于源端口的学习：,Page 56,1、交换机接收到数据帧后，根据目的地址查询CAM，找到出口后，把数据包从该出口集合发送出去。 2、在单播的情况下，出口列表集合只有一个元素，但在多播情况下，出口列表集合就可能不只一个元素。 3、多播情况下，CAM表项的建立不是通过学习得到的，而是通过IGMP窥探，CGMP等协议获得的。,MAC,出口集
21、合,1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ADCB.0003.,port1 port2 port3.,以太网交换机工作过程,基于宿端口的转发：,Page 57,以太网交换机工作过程,交换机还为每个CAM表项提供了一个定时器，该定时器从一个初始值开始递减，每当使用了一次该表项（接收到了一个数据帧，查找CAM表后用该项转发），定时器被重新设置。如果长时间没有使用该CAM表的转发项，则定时器递减到零，于是该CAM表项被删除。此定时器的时间就是老化时间，通常缺省为5分钟。,老化时间：,Page 58,工作过程： 交换机把接收到的整个数据帧缓存，检查数据包长度，进行CRC
22、校验然后查询CAM，进行转发。特点： 提高了可靠性，可以让数据包提前滤掉，但速度上有折扣。,以太网交换机交换方式,存储转发：,Page 59,工作过程： 交换机接收数据帧的时候，只要接收完帧头信息，发上查询CAM表，根据结果直接转发。特点： 大大提高了转发速度，但可能转发一些错误数据包。,以太网交换机交换方式,直通方式：,Page 60,工作过程： 交换机接收完数据帧的前64个字节（一个最短帧的长度），然后根据头信息，查CAM表进行转发。特点：滤掉了一些碎片，结合了前两种的优点。,以太网交换机交换方式,碎片隔离：,Page 61,问： 1、交换机为什么建立这种学习、转发的机制？ 2、ping命
23、令，在各网络层面上是如何动作的？,问题,答1：因为数据帧宿端口的不确定性。通过学习，确定宿端口，然后转发。如果不学习和HUB相同了。假如宿端口确定，就不需要学习。 答2：首先查询自己的ARP表，是否有对应IP的MAC，没有发ARP广播，三层上，和自己一个网段，IP包的目的地址为ping的目的地址，否则为网关地址。二层上，以太网帧则是向所有端口广播。ARP reply后，在发ICMP请求，然后收到reply，表示通。,Page 62,本节我们主要学习了： 以太网交换机的工作过程和交换方式,小结,Page 63,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层 第4章 以太网
24、交换机 第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Page 64,内容介绍,以太网VLAN VLAN的作用及划分方式 VLAN链路类型 帧及数据帧收发 QoS,Page 65,VLAN基本概念,划分VLAN的目的：抑制广播安全性考虑管理方便 VLAN划分方式：基于端口划分基于MAC地址划分基于协议划分基于子网划分,Page 66,可以通过配置的形式明确指定端口所属的VLAN。 特点：配置简单、含义明确、与实际联系紧密，应用广泛。目前我们用的多是这种方式。,划分方式基于端口,VLAN表,Page 67,通过MAC地址指定端口所属的VLAN，需要服务器和客户
25、端的支持；和CAM配合可实现VLAN端口的转换。 特点：安全性高、 配置比较烦琐，应用较少。,划分方式基于MAC地址,VLAN表,Page 68,基于协议的VLAN,VLAN表,通过二层数据中协议字段，判断上层运行的网络协议，如IP或者是IPX协议。特点：不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量 ，技术要求高，应用较少。,Page 69,基于子网的VLAN,VLAN表,根据报文中的IP地址决定报文属于哪个VLAN 。 特点：可以按传输协议划分网段 、 技术要求高，应用较少。,Page 70,VLAN链路类型,交换机间的链路-干道（Trunk/TAG）链路，主机和交换机间-接入
26、（Access）链路。 在Trunk （TAG）链路上传输的帧携带VLAN ID，用来正确的区分帧所属的VLAN。,Page 71,在TAG链路上传输这种类型的帧， 对端交换机根据802.1Q中的VLAN ID来区分正确的VLAN,然后向该 VLAN包含的端口转发.,NAME,VLUE,TYPE（2 bytes) PRI(3 bits) CFI(1 bit) VID(12 bits),8100 优先级 用于环形结构网络 VLAN ID,802.1Q帧格式,Page 72,以太网端口类型,Page 73,如果没有服务质量保证， 关键性业务可能因为得 不到带宽而受影响,以太网QoS保证,Page
27、74,三比特的优先级字段,802.1Q帧格式，为实施带优先级的服务提供了基础,高优先级数据包,低优先级数据包,以太网QoS保证,D_Addr,S_Addr,802.1q,L/T,DATA,TYPE,PRI/CFI/VID,FCS,6 bytes,6 bytes,4 bytes,2 bytes,46-1517 bytes,4 bytes,Page 75,优先级,队列,0 1 2 3 4 5 6 7,1,2,优先级,队列,0 1 2 3 4 5 6 7,1,2,3,优先级跟交换机发送队列的对应关系,Page 76,1、VLAN域和以太网学习转发数据帧之间的关系？ 答：VLAN域对以太网学习转发的端
28、口范围进行了约束。 以太网交换机通过学习转发数据帧，进行点到点的无连接通信。 2、VLAN之间如何通信？ 答：通常不同VLAN属于不同的网段，如果需要通信，必须通过路由器转接，或者直接使用三层交换机。,问题,Page 77,本节我们主要学习了： VLAN的几种划分方式 VLAN报文的帧格式,小结,Page 78,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机 第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Page 79,01010101 10101010 .,0101010101 1010101010 .,链路层
29、,物理层,千兆以太网物理层8B10B编码,Page 80,代码组,8B10B不对称影射 10B：1024种组合 8B： 256 种组合数据代码组特殊代码组保留代码组,Page 81,特殊代码组,特殊代码组,有序集,有序集,链路层数据,有序集,把数据封装在有序集中进行传输,有序集和数据封装,一个或多个特殊代码组的整体是有序集，有序集是特殊代码 的组合有序集是个整体在传输链路层数据的时候，在数据前后添加有序集，指示传输的开始,Page 82,有序集示例,Start_Of_Packet 在传输具体数据的开始，发送该有序集。IDLE 在没有数据传输的时候，物理链路也不空闲，而是传输该有序 集来保持激活
30、状态。End_Of_Packet 具体数据传输结束的时候发送该有序集，指示数据传输结束。Configuration 封装自动协商数据,Page 83,大量数据,PAUSE帧,流量控制,Page 84,终端设备把自己支持的能力编码到上述形式的基页中， 发送给对方，相互比较，按照最优的原则选择运行方式。,自动协商,Page 85,本节我们主要学习了： 千兆以太网的一些关键技术,小结,Page 86,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机 第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Page 87,概念,媒体
31、流服务器,媒体流接收端,Page 88,IGMP加入消息,每当终端想要接收针对组G的组播 数据时，它发出IGMP加入消息，交 换机探测到这个消息，建立转发项 （G，I），其中I为终端所在的端 口。若另外有终端也加入G，则交 换机仅仅把另外终端所在端口加入 转发项即可。,IGMP窥探,媒体流服务器,Page 89,媒体流服务器,针对组G的组播数据流,交换机必须检测每个组G的组播数据包。,IGMP窥探存在的问题,Page 90,媒体流服务器,GMRP请求消息,组播数据流,GMRP：General Multicast Register Protocol GMRP是一种交换设备和交换设备之 间，交换设
32、备和终端设备之间的信息 交流协议，用来表达自己的请求和分 发自己的本地信息。,GMRP协议,Page 91,在交换机中，其CAM表里面有两部分内容，一部分是单播的表项，一部分是组播的表项。这两部分表项有何不同？有没有广播的表项？,单播和组播的不同,单播表项对应为一个单播MAC地址对应一个端口。 组播表项对应为一个组播MAC地址可以对应多个端口。没有广播的表项，因为在缺省找不到地址的情况下，其转发 方式就是广播。,Page 92,本节我们主要学习了： 二层组播的基础概念,小结,Page 93,内容介绍,第1章 以太网概述 第2章 以太网物理层 第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机 第5章 以
33、太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播 第8章 生成树协议,Page 94,内容介绍,生成树协议 生成树协议的作用 生成树协议的基本概念 生成树协议的运行过程,Page 95,为了提高冗错性，交换机往往通过多条链路连接上层交换机，假设其中一条链路断了，可以有另外一条备用。,冗余链路,Page 96,这时候，如果交换机接收到一个广播包，则向所有两条上行链路上转发，核心层交换机接收到以后，互相转发，这样最终形成环路，带来网络风暴。,冗余链路带来的问题,Page 97,生成树协议,Page 98,STP运行的最终结果就是生成一棵无环树来充当转发路径。,无环树,Page 99,交换机启动，
34、从各端口发送BPDU包，进行根交换机的选举。最后具有最小优先级的交换机成为根交换机。,根ID,发送ID,COST,优先级,MAC,BPDU,生成树协议运行过程,选举根交换机,Page 100,生成树协议运行过程,配置BPDU,根端口,选举根端口,Page 101,生成树协议运行过程,配置BPDU,指定端口,ROOT,指定交换机,指定端口,Page 102,生成树协议运行过程,配置BPDU,闭塞,ROOT,指定交换机,闭塞所有冗余端口,Page 103,生成树协议运行过程,新加入的交换机,ROOT,配置BPDU,选举BPDU,加入新交换机,Page 104,交换机检测到链路故障之后，通过根端口向根交换机发送拓扑改变BPDU，根交换机接收到以后，向所有交换机发送重配置BPDU，于是，各交换机重新配置自己的拓扑数据库。,配置BPDU,拓扑改变BPDU,生成树协议运行过程,ROOT,链路故障,Page 105,阻断状态,快速端口,ROOT,快速端口,Page 106,本节我们主要学习了： 生成树协议的作用 生成树协议的实现原理,小结,Page 107,本课程我们主要学习了： 以太网分层协议 分层协议里面的物理层及数据链路层 以太网交换机的功能介绍 以太网的一些关键特性（VLAN、GE、IGMP、RSTP）,总结,
